<< Пред.           стр. 8 (из 12)           След. >>

Список литературы по разделу

  Стандарты подкомитета 802.1 носят общий для всех технологий характер и включают определение локальных сетей и их свойств, а также описывают взаимодействие между собой различных технологий и построение более сложных сетей на основе базовых технологий. Эта группа стандартов носит общее название стан­дартов межсетевого взаимодействия (internetworking).
  Подкомитет 802.2 разработал и поддерживает стандарт управления логическими связями LLC (Logical Link Control).
  Стандарты 802.3, 802.4, 802.5 описывают технологии локальных сетей, которые появились в результате улучшений некоторых фирменных сетевых технологий. Так, основу стандарта 802.3 составила технология Ethernet, разработанная компаниями DEC, Intel и Xerox, которая изначально имела название Ethernet DIX. Стандарт 802.4 появился как обобщение технологии ArcNet компании Datapoint Corporation, а стандарт 802.5 в основном описывает технологию Token Ring компании IBM.
 Отметим также тематику некоторых других стандартов, входящих в состав семейства 802.x:
  802.6 – региональные сети MAN (Metropolitan Area Network);
  802.7 – техническая консультационная группа по широкополосной передаче (Broadband Technical Advisory Group);
  802.8 – техническая консультационная группа по волоконно-оптическим сетям (Fiber Optic Technical Advisory Group);
  802.9 – интегрированные сети передачи голоса и данных (Integrated Voice and Data Networks);
  802.10 – сетевая безопасность (Network Security);
  802.11 – беспроводные сети (Wireless Networks);
  802.16 – широкополосные беспроводные сети (Broadband Wire-less Networks).
  Все протоколы, используемые семейством стандартов 802.x, схожи по структуре. Канальный уровень во всех протоколах 802.x разбит на два или более подуровня. Подуровень MAC (Medium Access Control – управление доступом к среде) отвеча­ет за управления доступом к среде передачи данных. Над MAC в иерархии находится подуровень LLC (Logical Link Control – управление логическим соединением), задача которого состоит в том, чтобы сделать различия стандартов 802.x невидимыми для сетевого уровня.
  Подуровень MAC появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот уровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в распоряжение той или иной станции в соответствии с определенным алгоритмом. После того, как доступ к среде получен, ею может пользоваться более высокий подуровень – LLC, организующий передачу логических единиц данных (кадров информации), с различным уровнем качества транспортных услуг. Подуровень LLC отвечает за передачу кадров данных между узлами с различной степенью надежности, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Именно через уровень LLC сетевой протокол запрашивает у канального уровня нужную ему транспортную операцию с нужным качеством. На уровне LLC существует несколько режимов работы, отличающихся наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся качеством транспортных услуг этого уровня. Протоколы подуровней МAC и LLC взаимно независимы – каждый протокол уровня MAC может применяться с любым протоколом уровня LLC, и наоборот. Протокол LLC не зависит от выбора конкретной сетевой технологии. Протокол LLC обеспечивает для технологий локальных сетей нужное качество ус­луг транспортной службы, передавая свои кадры с помощью нескольких возможных процедур.
  Протокол LLC занимает положение между сетевыми протоколами и протоколами подуровня MAC. Протоколы сетевого уровня передают через межуровневый интерфейс данные для протокола LLC – свой пакет, адресную информацию об узле назначения, а также требования к качеству транспортных услуг, которое протокол LLC должен обеспечить. Протокол LLC помещает пакет протокола верхнего уровня в свой кадр, который дополняется необходимыми служебными полями. Далее через межуровневый интерфейс прото­кол LLC передает свой кадр вместе с адресной информацией об узле назначения соответствующему протоколу уровня MAC, который упаковывает кадр LLC в свой кадр (например, кадр Ethernet).
  В соответствии со стандартом 802.2 подуровень управления логическим соединением LLC предоставляет верхним уровням три типа процедур: LLC1, LLC2 и LLC3.
 Процедура без установления соединения и без подтверждения LLC1 дает пользователю средства для передачи данных с минимумом издержек. Это так называемый дейтаграммный режим работы. Обычно этот вид процедуры используется, когда такие функции, как восстановление данных после ошибок и упорядочивание данных, выполняются протоколами вышележащих уровней, поэтому нет нужды дублировать их на подуровне LLC.
 Процедура с установлением соединения и подтверждением LLC2 дает пользователю возможность установить логическое соединение перед началом передачи любого блока данных и, если это требуется, выполнить процедуры восстановления ошибок и упорядочивание потока этих блоков в рамках установленного соединения.
 Для некоторых случаев, когда временные издержки установления логического соединения перед отправкой данных неприемлемы, а подтверждение о корректности приема переданных данных необходимо, предусмотрена дополнительная процедура, называемая процедурой установления соединения, но с подтверждением –LLC3.
  Использование одного из трех указанных режимов работы подуровня LLC зависит от стратегии разработчиков конкретного стека (набора) протоколов.
 10.2. Технология локальных сетей Ethernet
 
  Технология локальных сетей Ethernet (первоначальное происхождение названия – от словосочетания «эфирная сеть») на сегодняшний день является самой популярной и распространенной технологией построения локальных сетей во всем мире. Говоря об ЛВС вообще, чаще всего подразумевают ЛВС именно стандарта Ethernet, причем любого из вариантов этой технологии. Первый, исходный вариант протокола Ethernet, был разрабо­тан компаниями DEC, Intel и Xerox и известен как DIX Ethernet. Стандартом DIX Ethernet, опубликованным в 1980 году, определяются сети на коаксиальном кабеле со скоростью передачи данных 10 Мбит/с и топологией «шина». Этот стандарт называют также «толстым» Ethernet (ThickNet) или 10Base-5. В стандарте DIX Ethernet II, опубликованном в 1982 году, появилась возможность использования в ка­честве сетевой среды «тонкого» коаксиального кабеля. Этот стандарт называют «тонким» Ethernet (ThinNet) или 10Base-2.
  Примерно в то же время IEEE принял решение о создании международного стандарта для сетей этого типа, который, в отличие от Ethernet DIX, не был бы собственностью частной компании. В 1985 году группа IEEE 802.3 опубликовала стандарт, в котором помимо спецификаций для двух видов коаксиальных кабелей, которые применялись в DIX Ethernet, была включена спецификация 10Base-Т для кабеля типа «неэкранированная витая пара». После этого рабочая группа IEEE 802.3 опубликовала документы IEEE 802.3u со стандартом Fast Ethernet для сетей со скоростью 100 Мбит/с, а также IEEE 802.3z со стандартом Gigabit Ethernet для сетей со скоростью 1000 Мбит/с (1 Гбит/с) и IEEE 802.3ae со стандартом 10Gigabit Ethernet для сетей со скоростью 10 Гбит/с.
  Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод доступа к среде передачи данных, а именно протокол CSMA/CD, рассмотренный выше в разделе 8.
  В соответствии с первой частью этого протокола – CSMA – рабочая станция вначале «прослушивает» сеть, чтобы определить, не передается ли в данный момент какое-либо другое сообщение. Если станцией прослушивается сигнал, значит в данный момент сеть занята другим сообщением, поэтому рабочая станция переходит в режим ожидания и находится в нем до тех пор, пока сеть не освободится. Когда в сети наступает молчание, станция начинает свою передачу. Вторая часть указанного протокола – CD – служит для разрешения ситуаций, когда две или более рабочие станции пытаются передавать сообщения одновременно, то есть для обнаружения и разрешения коллизий. Протокол CSMA/CD требует, чтобы станция прослушала сеть также и после передачи сообщения. Если обнаруживается конфликт, станция повторяет передачу сообщения через случайным образом выбранный промежуток времени. Затем она вновь проверяет, не произошел ли конфликт. Термин «множественный доступ» подчеркивает тот факт, что все станции имеют одинаковое право на доступ к сети. Коллизия – это нормальная ситуация в работе сетей Ethernet. Для возникновения коллизии не обязательно, чтобы несколько станций начали передачу абсолютно одновременно – такая ситуация маловероятна. Гораздо вероятней возникновение коллизии из-за того, что одна станция начинает передачу раньше другой, но до этой станции сигналы первой станции просто не успевают дойти ко времени, когда вторая станция решает начать передачу своего кадра. То есть коллизии – это следствие распределенного характера сети.
  Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то как раз и фиксируется обнаружение коллизии. Для увеличения вероятности скорейшего обнаружения коллизии та станция, которая обнаружила коллизию, прерывает передачу своего кадра (в произвольном месте, возможно, и не на границе байта) и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть специальной последовательности из 32 бит, называемой jam-последовательностью. После этого передающая станция, обнаружившая коллизию, обязана прекратить передачу и сделать паузу в течение некоторого случайного интервала времени. За­тем она может снова предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Величина слу­чайной паузу определяется как произведение некоторого целого числа, выбранного с равной вероятностью из диапазона [0…2 в степени N] (где N – номер повторной попытки передачи данного кадра), и интервала отсрочки, равного 512 битовым интервалам. В технологии Ethernet принято все интервалы измерять в битовых интервалах, которые соответствуют интервалу времени между появлением двух последовательных бит данных на кабеле (например, при скорости 10 Мбит/с величина битового интервала равна 0,1 мкс или 100 нс).
  После 10-й попытки интервал, из которого выбирается пауза, не увеличивается. Таким образом, случайная пауза может принимать значения от 0 до 52,4 мс. Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то передатчик должен прекратить попытки и отбросить этот кадр.
  Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения у станций потребности в передаче кадров. При разработке этого метода в конце 1970-х годов предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мбит/с достаточно высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети не будет интенсивной. Однако появление приложений, работающих в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, привело к существенной загрузке сегментов Ethernet. Соответственно коллизии стали возникать относительно часто. При значительной интенсивности коллизий полезная пропускная способность сети Ethernet резко падает, так как сеть почти постоянно занята повторными попытками передачи кадров. Для уменьшения интенсивности возникновения коллизий нужно либо уменьшить трафик, сократив, например, количество узлов в сегменте, либо повысить скорость протокола. Следует отметить, что метод доступа CSMA/CD вообще не гарантирует станции, что она когда-либо сможет получить доступ к среде. При небольшой нагрузке сети вероятность такого события невелика, но при интенсивном использовании сети такое событие становится очень вероятным. Этот недостаток метода случайного доступа является следствием его чрезвычайной простоты, которая и сделала реализацию технологии Ethernet самой недорогой и, как следствие, наиболее распространенной.
  Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр будет утерян. Из-за наложения сигналов при коллизии информация кадра исказится, и он будет отбракован принимающей станцией. Наиболее вероятно, что искаженная информация будет передана повторно. Но повторная передача сообщения произойдет через более длительный интервал времени, чем первоначальный. Поэтому, если коллизии не будут надежно распознаваться станциями сети Ethernet, это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети.
  Для надежного распознавания коллизий должно выполняться условие, при котором время распространения сигнала коллизии до самого дальнего узла сети меньше, чем время передачи кадра минимальной длины. Так как в худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее удаленными друг от друга станциями сети (в одну сторону проходит неискаженный сигнал, а на обратном пути распространяется уже искаженный коллизией сигнал), то это время называется временем двойного оборота (Path Delay Value, PDV). При выполнении этого условия передающая станция должна успевать обнаружить коллизию, которую вызвал переданный ее кадр, еще до того, как она закончит передачу этого кадра. Очевидно, что выполнение этого условия зависит, с одной стороны, от длины минимального кадра и пропускной способности сети, а с другой стороны, от длины кабельной системы сети и скорости распространении сигнала в кабеле (для разных типов кабеля эта скорость несколько отличается).
  Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. При выборе параметров учитывается соотношение, связывающее между собой минимальную длину кадра и максимальное расстояние между станциями в сегменте сети. В стандарте Ethernet принято, что минимальная длина поля данных кадра составляет 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра 64 байт, а вместе с преамбулой – 72 байт или 576 бит). Из этих величин может быть определено ограничение на расстояние между станциями. В результате учета множества факторов разработчиками технологии Ethernet было тщательно подобрано соотношение между минимальной длиной кадра и максимально возможным расстоянием между станциями сети, которое обеспечивает надежное распознавание коллизий. Это расстояние называют также максимальным диаметром сети. С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартах, базирующихся на том же методе доступа CSMA/CD (например, Fast Ethernet), максимальное расстояние между станциями сети уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи.
  Исторически первые сети технологии Ethernet создавались на коаксиальном кабеле диаметром 0,5 дюйма. В дальнейшем были определены и другие спецификации физического уровня для стандарта Ethernet, позволяющие использовать различные среды передачи данных. Метод доступа CSMA/CD и все временные параметры остаются одними и теми же для любой спецификации физической среды технологии Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с. Физические спецификации технологии Ethernet включают (кроме упомянутых выше морально устаревших спецификаций 10Base-5 и 10Base-2 на коаксиальном кабеле) спецификации 10Base-Т на неэкранированной витой паре UTP (образует звездообразную топологию на основе концентратора, расстояние между концентратором и конечным узлом – не более 100 м) и 10Base-F на волоконно-оптическом кабеле (топология аналогична 10Base-Т, для разных вариантов этой спецификации расстояние между концентратором и конечным узлом может составлять от 1000 м до 2000 м). Число 10 в указанных выше названиях обозначает битовую скорость передачи данных этих стандартов – 10 Мбит/с, а слово Base – метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц (в отличие от методов, использующих несколько несущих частот и называемых широкополосными – broadband). Последний символ в названии спецификации обозначает либо допустимую длину сегмента («5» – 500 метров, «2» – 200 метров) или тип линии связи («Т» – витая пара, «F» – волоконно-оптический кабель.
  Cеть Ethernet на базе витой пары развивается с 1990 года и на сегодняшний день наиболее распространена. В такой сети Ethernet передача сигналов осуществляется по двум витым парам проводов, каждая из которых передает только в одну сторону (одна пара – передающая, другая – принимающая). Каждый из абонентов сети присоединяется кабелем, содержащим двойные витые пары, к концентратору, использование которого в данном случае обязательно. Концентратор производит смешение сигналов от абонентов для обеспечения метода доступа CSMA/CD, то есть в данном случае используется конфигурация «пассивная звезда» (рис. 10.1), которая равноценна «шине».
 Длина соединительного кабеля между адаптером и концентратором не должна превышать 100 м при наличии витой пары не ниже категории 3. Это расстояние определяется полосой пропускания витой пары – на длине 100 м она позволяет передавать данные со скоростью 10 Мбит/с при использовании «манчестерского» кода. Кабели присоединяются 8-контактными разъемами типа RJ-45, в которых используются только четыре контакта. Если надо объединить в сеть всего два компьютера, можно обойтись без концентратора, применив специальный «перекрестный» кабель (crossover саblе), который соединяет передающие контакты одного разъема RJ-45 с приемными контактами другого разъема RJ-45 и наоборот (в обычном «прямом» кабеле соединяются между собой одинаковые контакты обоих разъемов).
 
 
 
 Рис. 10.1. Подключение абонентов сети с помощью витой пары:
 T - передатчик, R - приемник
 
  Адаптеры и концентраторы, рассчитанные на работу с витой парой, имеют встроенный контроль правильности соединения сети. При отсутствии передачи информации они непрерывно передают специальный тестовый сигнал, по наличию которого определяется целостность кабеля. Для визуального контроля правильности соединений предусмотрены специальные светодиоды «link» («соединение»), которые горят при правильном соединении аппаратуры. Концентраторы 10Base-T можно соединять друг с другом с помощью тех же портов, которые предназначены для подключения конечных узлов. При этом нужно позаботиться о том, чтобы передатчик и приемник одного порта были соединены соответственно с приемником и передатчиком другого порта. Для обеспечения синхронизации станций при реализации процедур доступа CSMA/CD и надежного распознавания станциями коллизий в стандарте определено максимальное число концентраторов между двумя станциями сети, а именно 4. Это правило носит название «правила 4-х хабов». При создании сети 10Base-T с большим числом станций концентраторы можно соединять друг с другом иерархическим способом, образуя древовидную структуру (рис. 10.2). Петлевидное соединение концентраторов 10Base-T запрещено, так как оно приводит к некорректной работе сети. Это требование означает, что в сети 10Base-T не разрешается создавать параллельные каналы связи между критически важными концентраторами для резервирования связей на случай отказа порта, концентратора или кабеля. Резервирование связей возможно только за счет перевода одной из параллельных связей в неактивное (заблокированное) состояние. Общее количество станций в сети 10Base-T не должно превышать 1024.
 Сравнительно недавно в Ethernet начали широко применять волоконно-оптический кабель. Это позволило увеличить допустимую длину сегмента и существенно повысить помехоустойчивость передачи. Немаловажна также и полная гальваническая развязка компьютеров сети, которая достигается в этом случае без всякой дополнительной аппаратуры, а просто в силу физических свойств среды передачи. Передача информации идет по двум оптоволоконным кабелям, передающим сигналы в разные стороны. Иногда используются двухпроводные оптоволоконные кабели, содержащие два кабеля в общей оболочке.
 В технологии Ethernet, независимо от применяемого стандарта физического уровня, существует понятие домена коллизий. Это часть сети Ethernet, все узлы которой распознают коллизию независимо от того, в какой части этой сети коллизия возникла. Сеть Ethernet, построенная на повторителях, всегда образует один домен коллизий. Домен коллизий соответствует одной разделяемой среде. Мосты, коммутаторы и маршрутизаторы делят сеть Ethernet на несколько доменов коллизий. Приведенная на рис.10.2 схема сети представляет собой один домен коллизий. Если, например, столкновение кадров произошло в концентраторе 4, то в соответствии с логикой работы концентраторов 10Base-T сигнал коллизии распространится по всем портам всех концентраторов. Узлы, образующие один домен коллизий, работают синхронно, как единая распределенная электронная схема.
 
 
 
 
 
 Рис. 10.2. Иерархическое соединение концентраторов Ethernet
 
 
 10.3. Технология локальных сетей Fast Ethernet
 
  Технология Fast Ethernet – это составная часть стандарта IEEE 802.3, появившаяся в 1995 году. Она представляет собой более быструю версию стандартной сети Ethernet, использующую все тот же метод доступа CSMA/CD, но работающую на значительно большей скорости передачи – 100 Мбит/с. В Fast Ethernet сохраняется тот же формат кадра, который принят в классической версии Ethernet. С целью сохранения совместимости с более ранними версиями Ethernet стандарт определяет для Fast Ethernet специальный механизм автоматического определения скорости передачи в режиме Auto-Negotiation (автоопределение), что позволяет сетевым адаптерам Fast Ethernet автоматически переключаться со скорости 10 Мбит/с на скорость 100 Мбит/с и наоборот.
 Более высокая пропускная способность среды передачи в Fast Ethernet позволяет резко снизить нагрузку на сеть по сравнению с классической технологией Ethernet (при том же объеме передаваемой информации) и уменьшить вероятность возникновения коллизий. Основная топология сети Fast Ethernet – пассивная звезда. Это сближает ее со спецификациями 10Base-T и 10Base-F. Стандарт определяет следующие спецификации Fast Ethernet: 100Base-T4 (передача ведется со скоростью 100 Мбит/с в основной полосе частот по четырем витым парам электрических проводов), 100Base-TX (передача ведется со скоростью 100Мбит/с в основной полосе частот по двум витым парам электрических проводов), 100Base-FX (передача ведется со скоростью 100 Мбит/с в основной полосе частот по двум волоконно-оптическим кабелям).
  Схема объединения компьютеров в сети Fast Ethernet практически не отличается от схемы спецификации 10Base-T. Длина кабеля также не может превышать 100 метров, однако кабель должен быть более качественным ( не ниже категории 5). Необходимо отметить, что если в случае применения 10Base-T предельная длина кабеля в 100 м ограничена только качеством кабеля (точнее, потерями в нем) и может быть увеличена (например, до 150 м) при использовании более качественного кабеля, то в случае применения 100Base-TX предельная длина (100 м) ограничена заданными временными соотношениями обмена (ограничением на двойное время прохождения) и не может быть увеличена ни при каких условиях. Более того, стандарт рекомендует ограничиваться длиной сегмента, равной 90 м, чтобы имелся запас в 10%.
  Основное отличие аппаратуры 10Base-T4 oт 100Base-­TX состоит в том, что в качестве соединительных кабелей в ней используются неэкранированные кабели, содержащие четыре витые пары. Обмен данными идет по одной передающей витой паре, по одной приемной витой паре и по двум двунаправленным битным парам с использованием дифференциальных сигналов. При этом кабель может быть менее качественным, чем в случае применения 100Base-TX (например, категории 3). Принятая в 100Base-T4 система передачи сигналов обеспе­чивает ту же самую скорость 100 Мбит/с на любом из этих кабелей, хотя стандарт рекомендует использовать все таки кабель категории 5.
  Применение волоконно-оптического кабеля и в этом случае позволяет существенно увеличить протяженность сети, а также избавиться от электрических наводок и повысить секретность передаваемой информации. Максимальная длина кабеля между компьютером и концентратором может составлять до 400 метров, причем это ограничение определяется не качеством кабеля, а временными соотношениями. Согласно стандарту, в этом случае необходимо применять мультимодовый волоконно-оптический кабель.
 
 10.4. Сетевая технология Gigabit Ethernet
 
 Технология Gigabit Ethernet со скоростью передачи 1 Гбит/с (1000 Мбит/с) – это естественный, эволюционный путь развития концепции, заложенной в стандартной сети Ethernet. Она наследует все недостатки своих прямых предшественников, например, негарантированное время доступа к сети. Однако огромная пропускная способность приводит к тому, что загрузить сеть до тех уровней, когда этот фактор становится определяющим, довольно трудно. Зато сохранение преемственности позволяет легко и просто соединять сегменты Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet в единую сеть, и, самое главное, переходить к новым скоростям постепенно, вводя гигабитные сегменты только на самых напряженных участках сети.
  Семейство стандартов 802.3z описывает несколько вариантов волоконно-оптических стандартов, использующих различные типы светодиодных и лазерных передатчиков и обеспечивающих разные соотношения стоимости порта и дальности передачи. Кроме этого, в стандартах представлены спецификации физического уровня 1000Base-CX (обеспечивает передачу по витой паре не ниже 6 категории и специальному двуосному кабелю на расстояние до 25 м) и 1000Base-T (обеспечивает полнодуплексную передачу по четырехпарным кабелям категории 5 на расстояния до 100 м).
  Новый стандарт использует и новые правила кодирования сигналов, передающих­ся по оптоволокну. «Манчестерский» код при скорости передачи данных 1 Гбит/с потребовал бы скорости изменения сигнала в 2 Гбод. Это за­нимает слишком большую долю пропускной способности. Поэтому вместо «манчестерского кодирования» применяется схема, называемая 8В/10В, в которой каждый байт, состоящий из 8 бит, кодируется для передачи по волоконно-оптическому кабелю десятью битами. Поскольку возможны 1024 результирующих кодо­вых слова для каждого входящего байта, данный метод дает некоторую свободу выбора кодовых слов. При этом принимаются в расчет следующие правила:
  – ни одно кодовое слово не должно иметь более четырех одинаковых битов подряд;
  – ни в одном кодовом слове не должно быть более шести нулей или шести единиц.
  Такие правила, во-первых, обеспечивают достаточное количество изменений состояния в потоке данных, необходимое для того, чтобы приемник оставался синхронизированным с передатчиком, а во-вторых, примерно выравнивают количе­ство нулей и единиц. К тому же многие вхо­дящие байты имеют два возможных кодовых слова, ассоциированных с ними. Когда кодирующее устройство имеет возможность выбора кодовых слов, оно, ве­роятнее всего, выберет из них то, которое уравняет число нулей и единиц.
  Сбалансированному количеству нулей и единиц придается важное значение, потому что необходимо держать постоянную составляющую сигнала как можно на более низком уровне. Тогда она сможет пройти через преобразователи без изменений.
  Гигабитный Ethernet спецификации 1000Base-T использует иную схему кодирования, поскольку для медного кабеля изменить состояние сигнала в течение 1 нс затруднительно. Здесь применяются 4 витые пары категории 5, что дает возможность параллельно передавать 4 символа. Каждый символ кодируется од­ним из пяти уровней напряжения. Таким образом, один сигнал может означать 00, 01, 10 или 11. Есть еще одно служебное значение напряжения, применяемое для специальных целей кадрирования и управления. Таким образом, на од­ну витую пару приходится 2 бита данных, соответственно, за один временной интервал система передает 8 бит по 4 витым парам. Тактовая частота равна 125 МГц, что позволяет работать со скоростью 1 Гбит/с.
  Для распознавания коллизий и организации полнодуплексного режима разработчики спецификации 1000Base-T применили технологию, в которой вместо передачи по разным парам проводов или разнесения сигналов двух одновременно работающих навстречу передатчиков по диапазону частот оба передатчика работают навстречу друг другу по каждой из 4-х пар в одном и том же диапазоне частот (рис. 10.3).
 
 
 
 Рис. 10.3. Двунаправленная передача по четырем витым парам UTP
 категории 5: T – передатчик, R – приемник, H – гибридная развязка
 
  Схема гибридной развязки H позволяет приемнику R и передатчику T одного и того же узла одновременно использовать витую пару как для приема, так и для передачи. Для отделения принимаемого сигнала от своего собственного приемник вычитает из результирующего сигнала известный ему свой сигнал. Эту операцию выполняют специальные цифровые сигнальные процессоры DSP (Digital Signal Processor). Отметим, что при полудуплексном режиме работы получение встречного потока данных считается коллизией, а для полнодуплексного режима работы – нормальной ситуацией.
 10.5. Технология Token Ring
 
 Технологии других типов локальных сетей по сравнению с Ethernet распространены гораздо меньше. Поэтому знакомство с ними прежде всего представляет интерес с точки зрения рассмотрения возможных альтернативных решений организации вычислительных сетей.
 Технология Token Ring («маркерное кольцо») характеризуется теми же основными элементами, что и Ethernet: спецификациями физического уровня, форматом и механизмом MAC. Но при этом в нем используется совершенно иной подход к передаче и приему данных в среде общего доступа к сети. Протокол Token Ring стандартизирован документом IEEE 802.5. Сети Token Ring изначально были рассчитаны на передачу данных со скоростью 4 Мбит/с, но в более поздних реализациях она возросла до 16 Мбит/с. Это больше, чем у обычного Ethernet, нo заметно уступает скорости Fast Ethernet. Однако важно помнить, что в сетях Token Ring (при их нормальной работе) не бывает коллизий, что повышает их общую эффективность.
 Сеть TokenRing физически имеет комбинированную звездно-кольцевую топологию. Это связано с тем, что отдельные станции присоединяются к сети не напрямую, а через специальные концентраторы – многостанционные устройства подключения к среде передачи данных MAU (Medium Attachment Unit) (рис. 10.4). Логически же станции объединяются в кольцо, т. е. каждая из них передает информацию к одной соседней станции, а принимает информацию от другой соседней станции. Концентратор MAU при этом позволяет задавать конфигурацию сети, от­ключать неисправных абонентов, контролировать работу сети (рис. 10.5). Концентратор может быть в единственном числе, тогда в кольцо замыкаются только абоненты, подключенные к нему.
 В каждом кабеле, соединяющем адаптеры и концентратор, находятся на самом деле разнонаправленные линии связи. Такими же двумя разнонаправленными линиями связи, входящими в магистральный кабель, объединяются между собой в кольцо различные концентраторы, хотя для этой же цели может также использоваться и единственная однонаправленная линия связи.
  Технология Token Ring позволяет использовать для соединения конечных станций и концентраторов различные типы кабелей на основе витой пары, а также волоконно-оптический кабель. При использовании экранированной витой пары STP в кольцо допускается объединять до 260 станций при длине ответвительных кабелей до 100 метров, а при использовании неэкранированной витой пары UTP максимальное количество станций сокращается до 72 при длине ответвительных кабелей до 45 метров. Расстояние между пассивными концентраторами MAU может достигать 100 м при использова­нии кабеля STP и 45 м при использовании кабеля UTP. Между активными концентраторами MAU максимальное расстояние увеличивается, соответственно, до 730 м или 365 м в зависимости от типа кабеля.
 
 
 
 Рис. 10.4. Физическая топология сети Token Ring
 
 
 
 
 Рис. 10.5. Соединение абонентов сети Token Ring в кольцо с помощью
 концентратора MAU
 Максимальная длина кольца Token Ring составляет 4000 м. Как и в Ethernet, определяющим элементом стандарта Token Ring является механизм MAC. В Token Ring он называется доступом с передачей маркера (token passing). Теоретически передача маркера более эффективна, чем CSMA/CD, так как обеспечивает всем станциям равные возможности для передачи данных, не создавая коллизий и не снижая производительности сети при высоких уровнях нагрузки.
  Суть механизма передачи маркера состоит в непрерывной циркуляции по сетевому кольцу специального пакета – маркера (token). Маркер имеет длину всего 3 байта и не содержит обычных данных. Его единственное назначение – выделить в сети станцию, которой разрешается передавать данные. В пассивном состоянии станции Token Ring находятся в так называемом режиме повтора: они принимают пакеты из сети и тут же отправляют их назад в MAU для передачи на следующий порт. Если станция не возвращает пакет, кольцо как бы разрывается, и связь в сети прекращается. Mapкер генерируется станцией (которой отведена роль активного монитора), а затем он странствует по сети от станции к станции. Если какой-либо станции нужно передать данные, она может сделать это, только дождавшись, пока до нее дойдет маркер. Ни одна станция не может передавать данные, не захватив маркер, а поскольку он существует в единственном экземпляре, в любой момент времени данные передает только одна станция. Следовательно, в сети Token Ring принципиально не может быть коллизий. Захватив маркер для передачи данных, станция переходит в режим отправки, меняет в маркере значение бита установки монитора и отправляет его назад в MAU для передачи по кольцу. Измененное значение бита установки монитора информирует другие станции, что сеть используется, и они не могут захватывать маркер.
  В первоначальном варианте сети Token Ring станция, передавшая пакет данных, дожидалась возвращения в нее последнего бита данных и лишь потом присваивала биту установки монитора в кадре маркера его исходное значение и передавала маркер в сеть. В сетях Token Ring со скоростью 16 Мбит/с используется раннее освобождение маркера: маркер с сигналом «сеть свободна» передается сразу после пакета данных. Станция, которой адресован пакет данных, может захватить маркер и начать передачу собственного пакета данных еще до того, как все данные из первого пакета вернутся к исходной станции. Таким образом, в сети могут одновременно находиться фрагменты двух пакетов данных, но никогда не бывает более одного маркера «сеть свободна».
  Передача маркера используется в качестве механизма MAC и в других сетевых технологиях, например, в кольцевой волоконно-оптической технологии FDDI (Fiber Distributed Data Interface – волоконно-оптический интерфейс распределенных данных). Двойное волоконно-оптическое кольцо FDDI со скоростью 100 Мбит/с допускает наличие в кольце нескольких маркеров, длину кольца до 100 км и количество станций в кольце до 500.
 
 10.6. Технологии беспроводных локальных сетей
 
  Говоря о вычислительных сетях, практически всегда подразумевают кабельные сети, несмотря на то, что уже несколько лет назад появились беспроводные технологии организации вычислительных сетей. До недавнего времени беспроводная ЛВС неизменно ассоциировалась с низкой скоростью передачи и невысокой надежностью, но современные беспроводные сетевые технологии способны эффективно передавать данные с вполне приемлемыми скоростями, хотя они все же существенно уступают по быстродействию и надежности современным кабельным сетям. Беспроводные технологии обычно применяются там, где без них невозможно обойтись, например, когда пользователю нужна возможность свободного перемещения по зданию с портативным компьютером, непрерывно подключенным к сети, или когда доступ к сети нужен там, куда кабель провести сложно или вовсе невозможно. Есть также беспроводные продукты для домашних ЛВС, в которых прокладка кабеля слишком дорога или эстетически неприемлема.
  Основные стандарты беспроводных ЛВС – стандарты группы IEEE 802.11. В 2002 году принято решение использовать термин Wi–Fi (Wireless Fidelity – «беспроводная приверженность») в качестве одного общего имени для стандартов, относящихся к беспроводным ЛВС (Wireless LAN – WLAN).
  Стандарт 802.11 (1997 года) определяет три метода передачи, реализуемых на физическом уровне. Это метод инфракрасной передачи и два метода, основанных на радиосвязи небольшого радиуса действия. Последние методы используют радиодиапазоны в районе частот 2,4 ГГц и 915 МГц. Вне зависимости от метода скорость работы составляет 1 или 2 Мбит/с. При этом используется относительно маломощный сигнал, что позволяет уменьшить количество конфликтов между передатчиками. С целью увеличения пропускной способности в 1999 году были разработаны два дополнительных ме­тода, которые работают со скоростями 54 Мбит/с и 11 Мбит/с.
  Все пять рассматриваемых далее методов передачи данных позволяют передать кадр подуровня MAC с одной станции на другую. Различаются они используе­мыми технологиями и достижимыми скоростями.
  При передаче в инфракрасном диапазоне (вне диапазона видимого света) ис­пользуются длины волн 0,85 или 0,95 мкм. Возможны две скорости передачи: 1 или 2 Мбит/с. При скорости 1 Мбит/с используется схема кодирования с группировкой четы­рех бит в 16-битное кодовое слово, содержащее 15 нулей и 1 единицу. Это так называемый код Грея. Одно из его свойств заключается в том, что небольшая ошибка в синхронизации может привести в худшем случае к ошибке в одном би­те выходной последовательности. При скорости передачи 2 Мбит/с уже 2 бита кодируются в 4-битное кодовое слово, также имеющее всего одну единицу: 0001, 0010, 0100 или 1000. Сигналы инфракрасного диапазона не проникают сквозь стены, поэтому соты, расположенные в разных комнатах, очень хорошо изоли­рованы друг от друга. Однако из-за довольно низкой пропускной способности (а также потому, что солнечный свет может искажать инфракрасные сигналы) этот метод не слишком популярен.
  В методе FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum – «передача широкопо­лосных сигналов по методу частотных скачков») используются 79 каналов шириной 1 МГц каждый. Диапазон, в котором работает этот метод, начинается с 2,4 ГГц. Для определения последовательностей скачков частот используется генератор псевдослучайных чисел. Поскольку при этом для всех станций используется один и тот же генератор, они синхронизиро­ваны во времени и одновременно осуществляют одинаковые частотные скачки. Период времени, в течение которого станция работает на определенной частоте, называется временем пребывания. Это настраиваемая величина, но она должна быть не более 400 мс. Рандомизация, осуществляемая в методе FHSS, является простым способом распределения частотного диапазона. Кроме того, постоянная смена частот – это неплохой, хотя и недостаточный способ защиты информации от несанкционированного прослушивания (поскольку, не зная последовательности частотных переходов и времени пребывания, не возможно подслушать передаваемые данные). Этот метод относи­тельно слабо чувствителен к интерференции с радиосигналом, что делает его по­пулярным при связи между зданиями. Главный недостаток FHSS – его низкая пропускная способность.
  Третий метод модуляции называется DSSS (Direct Sequence Spread Spect­rum – «передача широкополосного сигнала по методу прямой последовательно­сти») и работает в радиодиапазоне 915 МГц. Так как этот частотный диапазон существенно загружен другими потребителями (в частности, радиотелефонами 900 МГц), исходящий сигнал модулируется с помощью избыточного цифрового кода, в котором каждый бит данных преобразуется в несколько бит, что позволяет «размазывать» сигнал по более широкой частотной полосе. При этом ка­ждый бит передается в виде 11 элементарных сигналов, которые называются по­следовательностью Баркера, для чего используется модуляция с фазовым сдвигом со скоростью 1 Мбод (1 бит на 1 бод при работе на 1 Мбит/с и 2 бита на 1 бод при работе на 2 Мбит/с).
  Первая высокоскоростная беспроводная ЛВС – 802.11а – использовала метод OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – «ортогональное частотное уплотнение») для передачи сигнала со скоростью до 54 Мбит/с в расширенном диапазоне 5 ГГц. В этом методе используются 52 разные частоты, из них 48 частот предназначе­ны для данных, а 4 – для синхронизации. Одновременная пе­редача сигналов на разных частотах позволяет говорить о расширенном спектре, хотя этот метод существенно отличается от FHSS. Разделение сигнала на большое число узких диапазонов имеет преимущества перед передачей в одном широ­ком диапазоне – в частности, более низкую чувствительность к узкополосной интерференции и возможность использования независимых диапазонов. Система кодирования довольно сложна. Она основана на модуляции с фазовым сдвигом для скоростей до 18 Мбит/с и на квадратурно-амплитудной модуляции при более высоких скоростях. При 54 Мбит/с 216 бит данных кодируются 288-битными кодовыми словами.
  Метод HR-DSSS (High Rate Direct Sequence Spread Spectrum – «высокоскоростная передача широкополосного сигнала по методу прямой последовательности») – это еще один широкополосный способ, который для достижения скорости 11 Мбит/с кодирует биты со скоростью 11 миллионов элементарных сигналов в секунду. Соответствующий стандарт имеет наименование 802.11b. Скорости передачи данных, поддерживаемые этим стандартом, равны 1; 2; 5,5 и 11 Мбит/с. Скорость передачи может быть динамически изменена во время работы для достижения оптимальных результатов в зависимости от усло­вий нагрузки и «зашумленности» линии. На практике скорость работы стандарта 802.11b почти всегда равна 11 Мбит/с. Хотя 802.11b медленнее, чем 802.11а, диа­пазон первого почти в 7 раз шире, что бывает очень важно во многих ситуациях.
  Улучшенная версия 802.11b имеет наименование 802.11g и принята в качестве стандарта IEEE в 2001 году. В 802.11g применяется метод модуляции OFDM, взятый из 802.11а, однако рабочий диапазон совпадает с 802.11b (узкий диапазон 2,4 ГГц). Максимальная теоретическая скорость передачи данных по стандарту 802.11g составляет 54 Мбит/с.
  Протокол MAC в стандарте 802.11 довольно сильно отличается от аналогичного протокола Ethernet вследствие присущей беспровод­ным сетям сложности по сравнению с проводными сетями. В Ethernet станция просто ожидает, пока в канале наступит тишина, и тогда начинает передачу. Если шумовой всплеск не приходит обратно в течение времени, необходимого на пере­сылку 64 байт, то можно утверждать, что кадр почти наверняка доставлен кор­ректно. В беспроводных сетях такой механизм не может быть надежно использован. Во-первых, в беспроводных сетях существует так называемая проблема скрытой станции. Поскольку не все станции могут слышать друг друга, передача, идущая в одной части соты, мо­жет быть просто не воспринята станцией, находящейся в другой ее части. Ситуация усугубляется еще и тем, что большинство радиосистем являются полудуплексными, то есть не могут одновременно и на одной и той же частоте посылать сигналы и воспринимать всплески шума на ли­нии. В итоге технология 802.11 не может использовать метод CSMA/CD (который применяется в Ethernet).
  Для преодоления этой проблемы стандарт 802.11 поддерживает два способа работы. Первый называется DCF (Distributed Coordination Function – «распреде­ленная координация») и не имеет никаких средств централизованного управле­ния (в этом смысле напоминая Ethernet). Второй способ, PCF (Point Coor­dination Function – «сосредоточенная координация»), подразумевает, что базовая станция берет на себя функцию управления активностью всех станций данной соты. Все реализации стандарта должны поддерживать DCF, тогда как PCF яв­ляется дополнительной возможностью.
  В DCF 802.11 использует протокол CSMA/CA. Протокол CSMA/CA может работать в двух режимах. В первом режиме станция перед передачей прослушивает канал. Если он свободен, начинается пересылка данных. Во время пе­ресылки канал не прослушивается, и станция передает кадр целиком, причем он может быть разрушен на стороне приемника из-за интерференции сигналов. Ес­ли канал занят, отправитель дожидается его освобождения и затем начинает пе­редачу. Если возникает коллизия, станции, не поделившие между собой канал, выжидают в течение случайных интервалов времени, используя двоичный экспоненциальный откат (такой же, как в Ethernet) и затем снова пытаются от­править кадр. В общих чертах CSMA/CA напоминает CSMA/CD, так как прежде чем начать передачу данных, станции «прослушивают» сеть, чтобы проверить, не занята ли она. Если сеть свободна, начинается передача данных. В принципе, в сети CSMA/CA две станции могут начать передачу данных одновременно, что приведет к коллизии. Разница же между двумя механизмами MAC заключается в том, что в беспроводной среде механизм обнаружения коллизий CSMA/CD непрактичен, так как для него необходима полнодуплексная связь. Для станции в сети Ethernet признаком коллизии служит появление входящего сигнала в принимающей паре проводов одновременно с передачей исходящего сигнала по передающей паре. Создать беспроводное сетевое устройство, способное передавать и принимать данные одновременно, гораздо сложнее. Поэтому принимающая станция в сети CSMA/CA и не пытается обнаружить коллизии. Вместо этого она проверяет коды входящих пакетов и, не обнаружив ошибок, передает отправителю пакета уведомление о доставке, которое служит признаком того, что коллизии не было. Не получив подтверждения приема, отправитель передает пакет повторно. Если после максимально установленного количества повторных передач пакета подтверждение приема так и не получено, станция передает управление процессом коррекции ошибок протоколам верхних уровней сетевого стека.
  Другой режим CSMA/CA основан на усовершенствованном варианте протокола CSMA/CA – протоколе MACAW (Multiple Access with Collision Avoidance for Wireless – множественный доступ с избежанием коллизий для беспроводных сетей) – и использует кон­троль виртуального канала. В показанном на рис. 10.6 примере станция «А» предполагает передать данные станции «В». Станция «С» находится в зоне действия (то есть слышит) «А», а также, возможно, в зоне действия «В», но это не имеет значения. Станция «D» входит в зону действия «В», но не входит в зону действия «А». Протокол начинает работать тогда, когда «А» решает, что ей необходимо по­слать данные «В». Станция «А» посылает станции «В» кадр RTS (Request To Send – запрос на отправку), запрашивая разрешение на передачу. Если «В» может принять данные, она отсылает обратно положительное подтверждение – кадр CTS (Clear To Send – разрешение отправки). После приема CTS станция «А» запускает таймер АСК (ACKnowledge – подтверждение доступа) и начи­нает передачу данных. В случае корректного приема «В» генерирует кадр АСК, сооб­щающий станции «А» о конце передачи. Если интервал времени таймера на стан­ции «А» истекает прежде, чем получен АСК, весь алгоритм работы протокола повторяется с самого начала.
 
 
 A RTS Данные
 
 
 
  CTS ACK
 
 
  NAV
 
 
  NAV
 
  Время ––––––––>
 
  Рис. 10.6. Использование прослушивания виртуального канала
  в протоколе MASAW
 
  Рассмотрим этот же процесс с точки зрения станций «С» и «D». «С» находит­ся в зоне действия «А», поэтому она также принимает кадр RTS и понимает, что скоро по каналу будут передаваться какие-то данные и следует при этом подождать окончания активности соседних станций. Исходя из информа­ции, содержащейся в RTS, станция «С» может предположить, сколько времени займет передача последовательности, включая конечный кадр АСК. В течение этого промежутка «С» считает, что ее виртуальный канал занят и она не передает данные. Индикацией такого состояния является последовательность NAV (Network Allocation Vector – вектор выделенной сети). Станция «D» не слышит RTS, посылаемый «А», зато слышит CTS, посланный станцией «В», и также выставляет NAV. Сигналы NAV не передаются, а яв­ляются лишь внутренними напоминаниями станций о том, что нужно хранить молчание в течение определенного промежутка времени.
  В противоположность проводным каналам, беспроводные каналы «зашумлены» и ненадеж­ны. В ре­зультате вероятность корректной передачи кадра уменьшается пропорционально увеличению длины кадра. Длинные кадры вообще имеют очень мало шансов дойти до получателя неповрежденными, и их нужно посылать заново. Для решения проблемы «зашумленных» каналов беспроводных сетей применя­ется разбиение кадров на небольшие отрезки, каждый из которых содержит соб­ственную контрольную сумму. Фрагменты нумеруются и подтверждаются инди­видуально с использованием протокола с ожиданием (то есть отправитель не может передать фрагмент с номером k + 1, пока не получит подтверждения о доставке фрагмента с номером k). Захватив канал с помощью диалога, состоящего из RTS и CTS, отправитель может передать несколько кадров подряд. Такая последовательность фрагментов называется пачкой фрагментов.
  Фрагментация повышает производительность путем принудительной повтор­ной пересылки коротких отрезков кадров, в которых произошла ошибка, а не кадров целиком. Размер фрагмента не закрепляется стандартом, а является на­страиваемым параметром каждой ячейки беспроводной сети и может оптимизи­роваться базовой станцией. Механизм выставления NAV удерживает станции от передачи только до прихода первого подтверждения о доставке.
  Итак, все описанное выше относится к способу DCF (распределенная координация) стандарта 802.11. В этом способе отсутствует централизован­ный контроль, и станции самостоятельно борются за эфирное время примерно так же, как в Ethernet. Но беспроводные сети могут работать и с использования другого способа, который называется PCF (сосредоточенная координация). В этом случае базовая станция опрашивает все подчиненные ей станции, выявляя те из них, которые требуют предоставить им канал. Порядок передачи данных полностью и центра­лизованно координируется базовой станцией, поэтому коллизии в режиме PCF исключены. Стандарт лишь предписывает осуществлять такую координацию, но не дает конкретных указаний, касающихся частоты, порядка опросов или нали­чия либо отсутствия каких-либо приоритетов у отдельных станций. Механизм основан на том, что базовая станция широковещательным спосо­бом периодически (10–100 раз в секунду) передает сигнальный кадр. В нем со­держатся такие системные параметры, как последовательности смены частот и периоды пребывания на частотах (для FHSS), данные для синхронизации и т. д. Он также является приглашением для новых станций, которые желают войти в список опрашиваемых станций. Попав в этот список, станция получает гаранти­рованную долю пропускной способности (при определенных параметрах скоро­сти), то есть ей гарантируется качество обслуживания.
  Оба способа (PCF и DCF) могут сосуществовать даже внутри одной соты сети. Стандарт 802.11 предлагает такую возможность. Это делается путем очень аккуратного определе­ния межкадрового интервала. После отправки кадра необходимо какое-то время простоя, прежде чем какая-либо станция получит разрешение послать кадр. Все­го определено четыре интервала, каждый из которых имеет собственное предна­значение. Самый короткий интервал – это SIFS (Short InterFrame Interval – короткий межкадровый интервал). Он используется для того, чтобы одна из сторон, веду­щих диалог с помощью управляющих кадров, могла получить шанс начать пер­вой. Здесь может быть CTS (посылаемый приемником в ответ на запрос RTS), АСК (посылаемый им же после окончания приема фрагмента или целого кадра), очередная часть пакета посылаемых отправителем фрагментов (то есть отправитель не по­сылает RTS после каждого фрагмента). После интервала SIFS ответить может всегда только одна станция. Если она упускает свой шанс и время PIFS (PCF InterFrame Spacing – межкадровый ин­тервал PCF) истекает, то базовая станция может послать сигнальный кадр или кадр опроса. Этот механизм позволяет станции, посылающей кадр данных или последовательность фрагментов, закончить свою передачу без какого-либо вме­шательства со стороны соседей, но дает и базовой станции возможность после окончания передачи станцией захватить канал, не борясь за него с другими же­лающими. Если базовой станции нечего сообщить и интервал DIFS (DCF InterFrame Spac­ing – межкадровый интервал DCF) истекает, то любая станция может попытать­ся захватить канал. Применяются при этом обычные правила борьбы, включая двоичный экспоненциальный откат в случае коллизии. Последний временной интервал называется EIFS (Extended InterFrame Spac­ing – расширенный межкадровый интервал). Он используется той стан­цией, которая только что получила испорченный или неопознанный кадр и стремится сообщить об этом факте. Именно этому событию отдан наиболее низкий приоритет, так как приемнику необходимо выждать в течение какого-то интервала времени, чтобы не прерывать идущий в это время диалог между станциями.
  В соответствии со стандартом 802.11 все совместимые беспроводные ЛВС должны предоставлять девять типов сервисов (услуг). Их можно разделить на две катего­рии: сервисы распределения и станционные сервисы. Сервисы распределения связаны с управлени­ем станциями, находящимися в данной соте, и взаимодействием с внешними станциями. Станционные сервисы, наоборот, имеют отношение к управлению ак­тивностью внутри одной соты.
  Сервисы распределения предоставляются базовой станцией и имеют де­ло с мобильностью станций при их входе в соту или выходе из нее. При этом станции устанавливают либо разрывают взаимодействие с базовой станцией. К сервисам распределения относятся ассоциация (используется мобильными станциями для подключе­ния к базовым станциям), дизассоциация (разрыв отношений при выключении станции или ее уходе из зоны действия базовой станции), реассоциация (используется для смены базовой станции при перемещении станции из одной соты в другую), распределение (используется для определения маршрутизации кад­ров, посылаемых базовой станции), интеграция (реализует трансляцию форматов для прохода кадров через сеть, не подчиняющуюся стан­дарту 802.11 и использующую другую схему адресации и/или формат кадра).
  Стан­ционные сервисы – это внутренние услуги соты. Они предоставля­ются после прохождения ассоциации, описанной выше. К стан­ционным сервисам относятся идентификация (после которой станции разрешается обмен данными), деидентификация (после которой станция, работавшая в сети, покидает ее), конфиденциальность (осуще­ствляет операции по шифрации и дешифрации информации), доставка данных.
  В беспроводных сетях используются две топологии – «каждый с каждым» и «инфраструктура». При первой топологии станции, оборудованные беспроводными сетевыми интерфейсами, обмениваются данными непосредственно друг с другом, не прибегая к кабельной сети. В сеть этого типа можно включать лишь ограни­ченное число станций, поэтому они применяются в основном в условиях небольших офисов. Топология «инфраструктура» позволя­ет расширить обычную кабельную сеть и сделать ее более гибкой за счет возможности беспроводного подключения к ней компьютеров через специальное устройство – точку доступа (access point). Если в сети есть несколько точек доступа, они подключаются к магистрали, которая называется системой распределения (distribution system) и чаще всего представляет собой кабельную сеть, хотя в принципе может быть и беспроводной. Роль точки доступа может играть как специализированное устройство, так и компьютер, оборудованный не только беспроводным, но и кабельным сетевым интерфейсом, подключенным к обычной кабельной ЛВС. Беспроводные клиенты обмениваются данными с кабельной сетью, используя точку доступа в качестве посредника. По сути, точка доступа выступает в роли моста-транслятора, поскольку ей приходится преобразовывать сигналы беспроводной сети в сигналы кабельной сети и обратно, объединяя их в общий широковещательный домен.
  На производительность мобильных станций существенное влияние оказывают расстояние и внешние условия. Обычно одна точка доступа поддерживает работу от 10 до 20 клиентов в зависимости от того, насколько активно они пользуются сетью (при условии, что они не удаляются от точки доступа более чем на 100 м). Стены и электромагнитные помехи существенно снижают производительность. Для расширения беспроводной части сети и поддержки большего числа клиентов можно воспользоваться несколькими точками доступа или установить точку расширения (extension point) – по сути, беспроводной повторитель (ретранслятор между беспроводными клиентами и точкой доступа).
 10.7. Технология беспроводных региональных сетей
 
  Для стандартизации широкополосных беспроводных сетей (чаще называемых беспроводными региональными сетями) комитетом IEEE разработана спецификация 802.16. Сети 802.11 и 802.16 имеют сходство прежде всего в том, что и те, и дру­гие предназначены для обеспечения беспроводной связи с высокой пропускной способностью. Однако при этом назначение сетей 802.16 – предос­тавление услуг связи, например, для целых зданий и организаций, а не отдельных мобильных пользователей. Сети 802.16 могут охватывать целые районы городов, а расстояния при этом исчисляются километрами. Следовательно, получаемый станциями сигнал мо­жет быть разной мощности в зависимости от их удаленности от передатчика. Эти отклонения влияют на соотношение сигнал/шум, что, в свою очередь, при­водит к использованию нескольких схем модуляции. Этот вид телекоммуника­ций является открытым, эфирный сигнал проходит над большими территориями, поэто­му вопросы защиты информации здесь крайне важны.
  В каждой ячейке (соте) широкополосной региональной сети может быть намного больше пользователей, чем в обычной ячейке 802.11, и при этом каждому поль­зователю предоставляется гораздо более высокая пропускная способность, чем пользователю беспроводной ЛВС. Из-за потенциально большого числа пользователей и связанной с этим значительной нагрузкой, сети 802.16, как правило, рабо­тают в высокочастотном диапазоне 10–66 ГГц.
  В набор протоколов, используемых стандартом 802.16, входит несколько подуровней. Нижний подуровень занимается физической передачей данных. Ис­пользуется обычная узкополосная радиосистема с обыкновенными схемами моду­ляции сигнала. Над физическим уровнем находится подуровень сведения (с уда­рением на второй слог), скрывающий от уровня передачи данных различия тех­нологий. Уровень передачи данных состоит из трех подуровней. Нижний из них отно­сится к защите информации, что очень критично для сетей, в которых передача данных осуществляется в эфире, физически никак не защищенном от прослуши­вания. На этом подуровне производится шифрация, дешифрация данных, а также управления ключами доступа. Затем следует общая часть подуровня MAC. Именно на этом подуровне иерар­хии располагаются основные протоколы – в частности, протоколы управления каналом. Идея состоит в том, что базовая станция контролирует всю систему. Она очень эффективно распределяет очередность передачи входящего трафика абонентам, немалую роль играет и в управлении исходящим трафиком (от абонен­та к базовой станции). От всех остальных стандартов 802.x МАС-подуровень стан­дарта 802.16 отличается тем, что он полностью ориентирован на установку со­единения. Таким образом можно гарантировать определенное качество обслужи­вания при предоставлении услуг телефонной связи и при передаче мультимедиа. Подуровень сведения отдельных сервисов играет роль подуровня логической связи в других протоколах 802.x. Его функция заключается в организации ин­терфейса для сетевого уровня.
  Как уже было отмечено, широкополосным беспроводным сетям необходим ши­рокий частотный спектр, который можно найти только в диапазоне от 10 до 66 ГГц. Миллиметровые волны обладают следующим свойством, которое отсутствует у более длинных микроволн: они распространяются не во всех на­правлениях (как звук), а по прямым линиям (как свет). Следовательно, на базо­вой станции должно быть установлено множество антенн, покрывающих различ­ные секторы окружающей территории. Поскольку мощность сигнала передаваемых миллиметровых волн существенно уменьшается с увеличением расстояния от передатчика (то есть базовой стан­ции), то и соотношение сигнал/шум также понижается. По этой причине 802.16 использует три различных схемы модуляции в зависимости от удаления абонент­ской станции. Так, при типичной полосе спектра 25 МГц обеспечиваются скорости передачи 150 Мбит/с на близком расстоянии от базовой станции, 100 Мбит/с ­­– на среднем расстоянии, 50 Мбит/с – на дальнем. То есть, чем дальше находится абонент от базовой станции, тем ниже ско­рость передачи данных.
  Стан­дарт 802.16 обеспечивает гибкость распределения полосы пропускания. Приме­няются две схемы модуляции: FDD (Frequency Division Duplexing – дуплексная связь с частотным разделением) и TDD (Time Division Duplexing – дуплексная связь с временным разделением). Во второй из указанных схем базовая станция периодически передает кадры, разделенные на временные интервалы. Первая часть временных интервалов отводится под входящий трафик. Затем следует защитный интервал (разделитель), позволяющий станциям переключать режимы приема и передачи, а за ним – интервалы исходящего трафика. Число отводимых тактов может динамически меняться, что позволяет подстроить пропускную способность под трафик каждого из на­правлений. Входящий трафик разбивается на временные интервалы базовой станцией. Она полностью контролирует это направление передачи. Исходящий трафик от абонентов управляется более сложным образом и зависит от требуемого качест­ва обслуживания.
  Все предоставляемые стандартом 802.16 сервисы ориентированы на соедине­ние, и каждое соединение получает доступ к одному из клас­сов сервиса. Это определяется при установке связи. Такое решение сильно отли­чается как от 802.11, так и от Ethernet, где отсутствует установление соединения на подуровне MAC.
  В стандарте 802.16 определены четыре класса сер­висов. Сервис с постоянной битовой скоростью предназначен для передачи несжа­той речи. В таком случае требуется передавать пре­допределенный объем данных в предопределенные временные интервалы. Это реализуется путем назначения каждому соединению своих интерва­лов. После того, как канал оказывается распределенным, доступ к временным ин­тервалам осуществляется автоматически, и нет необходимости запрашивать ка­ждый из них по отдельности. Сервис реального масштаба времени с переменной битовой скоростью приме­няется при передаче сжатых мультимедийных данных и других программных приложений реального времени. Необходимая в каждый момент времени пропу­скная способность может меняться. Та или иная полоса выделяется базовой станцией, которая опрашивает через определенные промежутки времени абонен­та с целью выявления необходимой на текущий момент ширины канала. Сервис, работающий не в реальном масштабе времени и с переменной битовой скоростью предназначен для интенсивного трафика – например, для передачи файлов большого объема. Здесь базовая станция тоже опрашивает абонентов до­вольно часто, но не в строго установленные моменты времени. Сервис с обязательством приложения максимальных усилий исполь­зуется для всех остальных типов передачи. Никаких опросов здесь нет, а стан­ции, желающие захватить канал, должны соперничать с другими станциями, которым требуется тот же класс сервиса. Запрос пропускной способности осуще­ствляется во временных интервалах, помеченных в карте распределения исходя­щего потока как доступные для конкуренции. Если запрос прошел удачно, это будет отмечено в следующей карте распределения входящего потока. В случае неудачи абоненты должны продолжать борьбу, используя при этом алгоритм двоичного экс­поненциального отката, взятый из Ethernet.
 10.8. Технология Bluetooth
 
 В настоящее время продолжается активное внедрение новой перспективной беспроводной технологии передачи данных, носящей название Bluetooth («Синий зуб»). Начало разработки этой технологии было положено в 1994 году компанией Ericsson. В 1998 г. Компании Nokia, IBM, Toshiba, Intel подключились к этой разработке для совместных усилий по унификации и продвижению технологии Bluetooth на рынок. В 2000 году была опубликована версия 1.1 спецификации Bluetooth, а в 2002 году IEEE был одобрен новый стандарт беспроводных коммуникаций, который был создан на основе спецификации Bluetooth 1.1 и получил обозначение IEEE 802.15.1.
  Основу Bluetooth составляет пикосеть (piconet), со­стоящая из одного главного узла и нескольких (до семи) подчиненных узлов, рас­положенных в радиусе 10 м. Пикосети могут связы­ваться друг с другом посредством специального узла – моста. Несколько объединенных вместе пикосетей составляют рассеянную сеть (scatternet). Помимо семи активных подчиненных узлов, один главный узел может под­держивать до 255 так называемых «отдыхающих» узлов. Это устройства, которые главный узел перевел в режим пониженного энергопотребления (за счет этого продлевается ресурс источников питания мобильных абонентов). В таком режиме узел может только отвечать на запросы активации или на сигнальные последовательности от глав­ного узла. В основе пикосетей ле­жит принцип централизованной системы с временным уплотнением. Главный узел контролирует временные интервалы и распределяет очередность передачи данных каждым из подчиненных узлов. Связь существует только между подчи­ненным и главным узлами. Прямой связи между подчиненными узлами нет.
  Базовая архитек­тура протоколов стандарта Bluetooth включает несколько протоколов, разбитых на уровни. В самом низу находится физический (радиотехнический) уровень, описывающий радиосвязь и применяемые методы модуляции. Уровень немодулированной передачи напоминает традиционный подуровень MAC, но включает в себя и некоторые элементы физического уровня. Здесь описыва­ется то, как главный узел управляет временными интервалами и как эти интер­валы группируются в кадры. Далее следует уровень, содержащий группу связанных между собой протоко­лов. Протокол управления соединением устанавливает логические каналы меж­ду устройствами, управляет режимами энергопотребления, идентификацией, а также качеством предоставляемых услуг. Подуровень адаптации протоколов управления логическими соединениями (часто называемый L2CAP) скрывает от верхних уровней технические детали нижних уровней. Его можно считать анало­гом обычного подуровня LLC из семейства стандартов 802. Аудиопротоколы и протоколы управления, как следует из их назва­ния, занимаются соответственно передачей звука и управлением. Приложения могут обращаться к ним напрямую, минуя протокол L2CAP.
 Следующий уровень называется связующим и содержит множество разно­образных протоколов, таких как протокол высокочастотной связи, телефонии и определения сервисов. На самом верхнем уровне находятся приложения. Они работают с протоколами нижних уровней, которые обеспечивают их функционирование. Каждому приложению сопоставлен свой набор протоколов.
  Физический (радиотехнический) уровень переносит информацию бит за битом от главного узла к под­чиненным и обратно. В реальности это маломощная приемопередающая система с радиусом действия порядка 10 м. Она работает в диапазоне радиоволн 2400 – 2483,5 МГц. Диапазон разделен на 79 каналов по 1 МГц в каждом. В качестве метода модуляции применяется частотная манипуляция с 1 битом на герц, что дает сум­марную скорость 1 Мбит/с. Однако большая часть спектра занята служебной ин­формацией. Для распределения каналов применяется расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты (1600 скачков частоты в секунду, время пребывания – 625 мкс). Все узлы пикосетей перестраивают частоты одновремен­но. Последовательность частот генерируется главным узлом.
  Несмотря на то, что сети 802.11 и Bluetooth работают в одном и том же диапазоне частот на одних и тех же 79 каналах, оба этих стан­дарта могут быть использованы на одной площадке (причем даже без су­щественного снижения производи­тельности) благодаря разным схемам модуляции и использования. Однако Bluetooth развивается гораздо стремительнее 802.11, и, скорее всего, он вытеснит сети 802.11.
  Уровень немодулированной передачи – это наиболее близкий к МАС-подуровню элемент иерархии Bluetooth. Он трансформирует простой поток бит в кадры и определяет некоторые ключевые форматы. В простейшем случае главный узел каждой пикосети выдает последовательности временных интервалов по 625 мкс, причем передача данных со стороны главного узла начинается в четных тактах, а со стороны подчиненных узлов – в нечетных. Это, по сути дела, традиционное временное уплотнение, в котором главная сторона получает одну половину временных интервалов, а подчиненные делят между собой вторую. Кадры могут быть длиной 1, 3 или 5 тактов. Тактирование со скачкообразным изменением частоты отводит на успокое­ние системы 250–260 мкс при каждом скачке. В кадре, состоящем из одного такта, после успокоения системы остается время на передачу 366 из 625 бит. Из них 126 бит уходит на код доступа и заголовок. Остается 240 бит полезной информации на кадр. Если совместить пять временных интервалов в один кадр, то понадобится всего один период успокоения системы, поэтому длинные кад­ры эффективнее однотактовых.
  Все кадры передаются между главным и подчиненными узлами по логическо­му каналу, называемому соединением. Существует два типа соединений. Пер­вый называется ACL (Asynchronous ConnectionLess – асинхронный без установ­ления связи) и он используется для коммутации пакетов данных, которые могут появиться в произвольный момент времени. Такие данные появляются с уровня L2CAP на передающей стороне и доставляются на тот же уровень на принимаю­щей стороне. Трафик ACL доставляется по принципу максимальных прилагае­мых усилий для обеспечения сервиса. Никаких гарантий не дается. Кадры могут теряться и пересылаться повторно. У подчиненного узла может быть только од­но ACL-соединение со своим главным узлом. Второй вид соединения называется SCO (Synchronous Connection Oriented – синхронный с установлением связи). Он предназначен для передачи данных в ре­альном масштабе времени – это требуется, например, при телефонных разгово­рах. Такой тип канала получает фиксированный временной интервал для пере­дачи в каждом из направлений. Кадры, переданные по данному типу канала, никогда не пересылаются зано­во. Вместо этого может быть использована прямая коррекция ошибок, обеспечи­вающая более надежное соединение.
  Подуровень адаптации протоколов управления логическими соединениями L2CAP выполняет три основные функции. Во-первых, он принимает па­кеты размером до 64 Кбайт с верхних уровней и разбивает их на кадры для пере­дачи по физическому каналу. На противоположном конце этот же уровень прото­колов используется для обратного действия – объединения кадров в пакеты.
 Во-вторых, L2CAP занимается мультиплексированием и демультиплексиро­ванием множества источников пакетов. После сборки пакета он определяет, куда следует направить пакет. В-третьих, L2CAP отвечает за качество обслуживания как во время передачи, так и во время ожидания. Во время установления соединения он договаривается о максимально разрешенном количестве передаваемой полезной информации, что позволяет избежать «заваливания» данными того устройства, которому приходится работать с относительно маленькими пакетами.
  Для организации дуплексной связи в Bluetooth используется метод временного муль­типлексирования, то есть в одном вре­менном слоте передает одно устрой­ство, а в следующем – другое. При симметричной организации обмена максимальная скорость составляет 433,9 Кбит/с в каждую сторону. Максимальная ско­рость обмена достигается при асим­метричном обмене и составляет 723,2 Кбит/с в одну сторону и 57,6 Кбит/с – в другую.
  Установление соединения между двумя устройствами происходит в два этапа. На первом этапе, называемом «Опрос» (Inquiry), главный узел выяс­няет, какие узлы находятся в ра­диусе его действия и каковы их адреса. На втором этапе – «Персональный Вызов» (Page), главный узел устанавливает связь с конкретным узлом. Все процедуры опроса и вызова выполняются только главным узлом. Для первоначальной процедуры ус­тановления связи используются корот­кие пакеты длиной 68 бит, а скорость переключения частот увеличивается вдвое (до 3200 раз в секунду). После получения ответа происходят синхро­низация схем переключения частот (подчиненный узел получает ее от главного узла) и обмен пробными пакетами, после чего соединение считается установ­ленным.
 На одном и том же пространстве мо­гут располагаться несколько пикосетей. В каждой из них имеется свой главный узел, поэтому они имеют различные независимые схемы пере­ключения частот. Чем больше пикосетей расположено на одной площаде, тем выше вероятность столкновений и, следовательно, снижения производи­тельности. Если несколько пикосетей располо­жены на одной и той же площади, то они могут быть объединены в распре­деленную сеть. Объединение проис­ходит на основе временного мульти­плексирования, то есть одновременно в двух пикосетях никакой узел работать не может. Для перехода из одной пикосети в другую узел должен поменять схему смены частот. При этом один и то же узел мо­жет быть главным в «своей» пикосе­ти и подчиненным в «чужой» При подклю­чении новых узлов допускается смена роли узла – с главного на подчиненного, вследствие чего ассоции­рованная с ним пикосеть разваливает­ся и ее приходится собирать вновь под управлением нового главного узла. Поскольку пикосети, объединен­ные в распределенную сеть, использу­ют разные схемы смены частот, то производительность каждой из них не снижается, однако возрастает вероят­ность возникнове­ния взаимных помех.
 Технология Bluetooth имеет хорошую перспективу. Она совместима с большинством популярных протоколов и систем связи. Стоимость устройств Bluetooth относительно невысока, так как эта технология изначально задумывалась как общедоступная. При этом Bluetooth позволяет обеспечить высокое качество передачи информации и высокую степень её защиты.
 
 Резюме
 
  Стан­дарты межсетевого взаимодействия IEEE 802.x характеризуют базовые сетевые технологии, содержат рекомендации по проектированию сетей и сетевых устройств, описывают взаимодействие между собой различных технологий и построение более сложных сетей на основе базовых технологий.
  Канальный уровень протоколов 802.x разбит на подуровни, включающие подуровень управления доступом к среде передачи данных и подуровень управления логическим соединением, задача которого состоит в том, чтобы сделать различия стандартов 802.x невидимыми для сетевого уровня.
  На сегодняшний день самой популярной и распространенной технологией построения локальных сетей является технология Ethernet. За время своего развития сети Ethernet прошли несколько этапов эволюции скоростей передачи данных: 10 Мбит/с в первоначальном стандарте Ethernet, 100 Мбит/с – в стандарте Fast Ethernet, 1 Гбит/с – в стандарте Gigabit Ethernet, 10 Гбит/с – в стандарте 10Gigabit Ethernet. Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод доступа к среде передачи данных – множественный доступ с контролем несущей частоты и избежанием коллизий (протокол CSMA/CD).
 Технология локальных сетей Token Ring и другие подобные ей технологии к настоящему времени практически не распространены, однако знакомство с ними представляет методический интерес с точки зрения рассмотрения возможных решений по организации вычислительных сетей, отличных от технологии Ethernet. В Token Ring используется метод доступа с передачей специального пакета – маркера, непрерывно циркулирующего по сетевому кольцу. Теоретически передача маркера более эффективна, чем механизм CSMA/CD, так как обеспечивает всем станциям равные возможности для передачи данных, не создавая коллизий и не снижая производительности сети при высоких уровнях нагрузки.
 Альтернативу кабельным сетям представляют беспроводные вычислительные сети, которые на современном уровне своего развития уже способны эффективно передавать данные с вполне приемлемыми скоростями.
  Основные стандарты беспроводных ЛВС – стандарты группы IEEE 802.11, определяющие методы передачи данных в инфракрасном диапазоне и нескольких радиодиапазонах электромагнитных волн со скоростями от 1–2 Мбит/с до 54 Мбит/с. Стандарты 802.11 поддерживают два способа работы. Способ «распреде­ленной координации» DCF не имеет никаких средств централизованного управле­ния, а в способе «сосредоточенной координации» PCF базовая станция берет на себя функции управления активностью всех станций данной соты. В DCF 802.11 используется протокол множественного доступа с контролем несущей частоты и избежанием коллизий CSMA/CA.
  В соответствии со стандартом 802.11 все совместимые беспроводные ЛВС должны предоставлять две катего­рии сервисов. Сервисы распределения связаны с управлени­ем станциями, находящимися в данной соте, и взаимодействием с внешними станциями. Станционные сервисы, наоборот, имеют отношение к управлению ак­тивностью внутри одной соты.
  Технологии организации и функционирования беспроводных региональных (широкополосных) сетей стандартизованы в спецификации IEEE 802.16. В каждой ячейке (соте) региональной сети может быть намного больше пользователей, чем в обычной ячейке сети стандарта 802.11, и при этом каждому поль­зователю предоставляется гораздо более высокая пропускная способность, чем пользователю беспроводной ЛВС. Из-за потенциально большого числа пользователей и связанной с этим значительной нагрузкой, сети 802.16, как правило, рабо­тают в высокочастотном диапазоне 10–66 ГГц. В зависимости от удаления абонент­ской станции обеспечиваются скорости передачи данных от 150 Мбит/с на близком расстоянии от базовой станции до 50 Мбит/с – на дальнем.
  В стандарте 802.16 определены сервис с постоянной битовой скоростью, сервис с переменной битовой скоростью (работающий в реальном масштабе времени), сервис с переменной битовой скоростью (работающий не в реальном масштабе времени), сервис с обязательством приложения максимальных усилий для установления связи.
  В настоящее время продолжается активное внедрение новой перспективной беспроводной технологии передачи данных, носящей название Bluetooth. Основу Bluetooth составляет пикосеть, со­стоящая из одного главного узла и нескольких подчиненных узлов. Пикосети могут связы­ваться друг с другом посредством специального мостов. Функционирование пикосетей базируется на принципах централизованной системы с временным уплотнением. Главный узел контролирует временные интервалы и распределяет очередность передачи данных каждым из подчиненных узлов. Базовая архитек­тура протоколов стандарта Bluetooth включает несколько протоколов, разбитых на уровни. Для организации дуплексной связи в Bluetooth используется метод временного муль­типлексирова-ния. При симметричной организации обмена максимальная скорость составляет 433,9 Кбит/с в каждую сторону. Максимальная ско­рость обмена достигается при асим­метричном обмене и составляет 723,2 Кбит/с в одну сторону и 57,6 Кбит/с – в другую.
 Технология Bluetooth экономически эффективна и совместима с большинством популярных систем связи, она способна обеспечить качественную и хорошо защищенную передачу информации.
 
 Контрольные вопросы и задания
 
 Перечислите основные стандарты локальных вычислительных сетей.
 На какие подуровни разделяют канальный уровень и в чем заключаются их функции?
 Охарактеризуйте типы кадров подуровня логической передачи данных LLC.
 Опишите структуру кадра LLC.
 Представьте особенности метода доступа к среде передачи данных, используемого в технологии локальных вычислительных сетей Ethernet.
 Что такое «коллизия» и какие способы применяют для распознавания и преодоления «коллизий»?
 Перечислите и охарактеризуйте физические спецификации и аппаратные средства технологии Ethernet.
 Дайте определение понятию «домен коллизий».
 Приведите специфические особенности и характеристики технологии Fast Ethernet.
  В чем заключаются основные преимущества технологии Gigabit Ethernet, какие спецификации физического уровня применяются в этой технологии?
  Опишите принципы построения и характерные параметры технологии локальных вычислительных сетей Token Ring.
  Каковы особенности реализации технологии локальных вычислительных сетей FDDI?
  Дайте характеристику беспроводных технологий ЛВС.
  Представьте типы сервисов, предоставляемых беспроводными ЛВС стандарта 802.11.
  В чем заключаются основные отличия технологии беспроводных региональных сетей стандарта 802.16 от технологий стандарта 802.11?
  Опишите технологию беспроводной связи Bluetooth.
 
 
 
 
  11. Объединение сетей средствами сетевого и
  транспортного уровней
 
 11.1. Общие сведения о протоколах сетевого
  и транспортного уровней
 
  Протоколы, работающие на сетевом уровне многоуровневой модели сетевого взаимодействия, отвечают за передачу данных по интерсети от отправителя к получателю, которые расположены в разных локальных сетях. Это отличает их от протоколов канального уровня, которые передают пакеты только получателям в той же ЛВС.
  Самый популярный протокол сетевого уровня – IP (Internet Protocol – межсетевой протокол). Протокол IP выполняет следующие важные сетевые функции:
  1) инкапсуляцию – упаковку пакета данных транспортного уровня в дейтаграмму;
  2) адресацию – идентификацию систем в сети по их адресам;
  3) маршрутизацию – определение наиболее эффективного пути к целевой системе;
  4) фрагментацию – разбиение данных на фрагменты, по размеру подходящие для передачи по сети;
  5) идентификацию протокола транспортного уровня, который сгенерировал данные в дейтаграмме.
  Протоколы, действующие на транспортном уровне многоуровневой модели сетевого взаимодействия, совместно с протоколами сетевого уровня обеспечивают единый сервис, необходимый приложениям для работы с сетью.
  Наиболее популярны протоколы транспортного уровня TCP (Transmission Control Protocol – протокол управления передачей) и UDP (User Datagram Protocol – протокол пользовательских дейтаграмм).
 Протокол TCP обеспечивает приложениям надежный сервис с гарантированной доставкой данных, подтверждением приема пакетов, управлением потоком данных, обнаружением и коррекцией ошибок. TCP предназначен для передачи с побитовой точностью больших объемов данных, например, программных файлов. Протоколы транспортного уровня инкапсулируют данные, полученные от протоколов прикладного уровня, добавляя к ним свой заголовок, как это делают и протоколы более низких уровней. Часто протоколы прикладного уровня передают TCP больше данных, чем вмещает отдельный пакет, поэтому TCP разбивает данные на несколько сегментов (segments). Совокупность сегментов, составляющих единую транзакцию, называется последовательностью (sequence). К каждому сегменту добавляется собственный заголовок TCP, после чего он передается на сетевой уровень для передачи в отдельной дейтаграмме. Когда все сегменты достигают компьютера-получателя, TCP восстанавливает из них исходную последовательность. Протокол TCP ориентирован на соединение. Это означает, что до начала обмена данными прикладного уровня отправитель и получатель должны установить связь между собой – это гарантирует, что оба компьютера-абонента существуют, работают без сбоев и готовы к приему данных. Соединение TCP сохраняется на протяжении всего обмена данными, а затем закрывается установленным образом.
  Протокол UDP в отличие от TCP не ориентирован на соединение и не обеспечивает подтверждение приема, управление потоком, сегментацию и гарантированную доставку. Протокол UDP используется в основном для обмена короткими запросами и ответами. В результате UDP намного проще TCP и создает гораздо меньше нагрузки на сеть. ТСР, выполняя свои функции, генерирует большой объем управляющего трафика, тогда как накладные расходы, связанные с использованием UDP, относительно невелики.
  Стек (набор) протоколов TCP/IP, состоящий из протоколов сетевого и транспортного уровней, функционирующих совместно, осуществляет сетевую поддержку подключения всех узлов и взаимодействие сетей.
  Два протокола транспортного уровня из набора TCP/IP обеспечивают приложениям разный уровень обслуживания. Комбинация UDP и IP обеспечивает минимальный транспортный сервис с низким уровнем накладных расходов.
 
 11.2. Адресация IP-протокола
 
  Один из самых важных элементов стека протоколов TCP/IP –самостоятельная система адресации IP-протокола. IP-адреса делают возможным обмен информацией между компьютерами, работающими под управлением различных ОС и на разных платформах, обеспечивая уникальными идентификаторами компьютеры и сети, в кото­рые они включены.
  Организация построения и присвоения IP-адресов составляет существенную часть администрирования сети TCP/IP.
 
  В стеке TCP/IP используются три типа адресов:
  1) локальные (или аппаратные) адреса, используемые для адресации узлов в пределах систем;
  2) сетевые адреса (IP-адреса), используемые для однозначной идентификации узлов в пределах всей составной сети;
  3) доменные имена – символьные идентификаторы узлов, к которым часто обращаются пользователи.
  В общем случае сетевой интерфейс может иметь одновременно один или несколько локальных адресов и один или несколько сетевых адресов, а также одно или несколько доменных имен.
  В терминологии TCP/IP под локальным адресом понимается такой тип адреса, который используется средствами базовой технологии для доставки данных в пределах подсети, являющейся элементом составной интерсети. В разных подсетях допустимы разные сетевые технологии, разные стеки протоколов, поэтому при создании стека TCP/IP предполагалось наличие разных типов локальных адресов. Если подсетью интерсети является локальная сеть, то локальный адрес – это уникальный аппаратный адрес, назначаемый сетевым адаптерам производителями оборудования.
  Сетевые адреса (IP-адреса) представляют собой основной тип адресов, на основании которых сетевой уровень передает пакеты между сетями. IP-адрес назначается администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов (см. подраздел 11.3). IP-адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно либо назначен по рекомендации специального сетевого информационного центра Internet (Internet Network Information Center – InterNIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно поставщики услуг Internet получают диапазоны адресов у подразделений InterNIC, а затем распределяют их между своими абонентами. Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла. Маршрутизатор по определению входит сразу в несколько сетей. Поэтому каждый порт маршрутизатора имеет собственный IP-адрес. Конечный узел также может входить в несколько IP-сетей. В этом случае компьютер должен иметь несколько IP-адресов по числу сетевых связей. Таким образом, IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.
  Символьные имена в IP-сетях называются доменными и они строятся по иерархическому признаку. Составляющие части полного символьного имени в IP-сетях разделяются точкой и перечисляются в следующем порядке: сначала простое имя конечного узла, затем имя группы узлов (например, имя организации), затем имя более крупной группы (поддомена) и так далее до имени домена самого высокого уровня (например, домена объединяющего организации по географическому принципу: RU – Россия, UK – Великобритания, US – США). Между доменным именем и IP-адресом узла нет никакого алгоритмического соответствия, поэтому необходимо использовать какие-то дополнительные таблицы или службы, чтобы узел сети однозначно определялся как по доменному имени, так и по IP-адресу. В сетях TCP/IP используется специальная распределенная служба системы доменных имен DNS (Domain Name System), которая устанавливает это соответствие на основании создаваемых администраторами сети таблиц соответствия. Поэтому доменные имена называют также DNS-именами.
  Рассмотрение форм записи и классов IP-адресов, а также вопросов распределения и назначения IP-адресов выходит за рамки тематики данного учебного пособия.
 
 11.3. Маршрутизация и маршрутизаторы
 
 Маршрутизация является одной из наиболее важных и сложных операций, выполняемых стеком протоколов TCP/IP.
 Маршрутизатор (router) – это устройство, подключенное к двум или нескольким сетям и пересылающее пакеты из одной сети в другую. Маршрутизаторы функционируют на сетевом уровне и поэтому способны соединять сети, работающие с различными протоколами канального уровня и на различных сетевых средах. В небольшой интерсети задача маршрутизатора довольно проста. Если с его помощью соединены, например, две ЛВС, ему достаточно получать пакеты от одной и при необходимости переправлять их во вторую. В крупных интерсетях к одному маршрутизатору подключается множество локальных сетей, а к одной сети может подключаться несколько маршрутизаторов. Поэтому к одной и той же цели пакеты могут добираться различными путями. Если один или несколько маршрутизаторов выходят из строя, пакеты все равно должны доходить до места назначения по обходным или резервным маршрутам.
 В сложных интерсетях перед маршрутизатором стоит еще одна задача – выбор наиболее эффективного пути для доставки пакета. Обычно это маршрут, позволяющий пакету достичь целевой системы с минимальным количеством транзитов, то есть встретив на своем пути наименьшее число маршрутизаторов. Маршрутизаторы обмениваются между собой информацией о сетях, к которым они подключены. В результате строится составная картина интерсети. В сложной интерсети, например, в Интернете, ни один из маршрутизаторов не обладает полной картиной всей интерсети. Для передачи пакета маршрутизаторам приходится работать совместно.
 Маршрутизатор может быть реализован как в виде самостоятельного устройства, так и в виде обычного компьютера. Так как возможность маршрутизации IP-трафика имеется в современных сетевых операционных системах, то для превращения в маршрутизатор компьютера достаточно установить на нем по крайней мере два сетевых адаптера, подключить их к двум различным сетям и задать в конфигурации компьютера маршрутизацию трафика между этими сетями.
 Если компьютер используется как IP-маршрутизатор, все установленные на нем сетевые адаптеры должны иметь собственные IP-адреса, соответствующие сети, к которой они подключены. Маршрутизатор, реализованный в виде отдельного устройства, в сущности также представляет собой специализированный компьютер. В его состав входят несколько встроенных сетевых адаптеров, процессор и память для хранения информации о маршрутах и буферизации пакетов.
 Важнейшей составляющей любого маршрутизатора является таблица маршрутизации. Она содержит информацию, которую маршрутизатор использует для отправки пакетов по назначению. Если целевая система находится в другой сети, в таблице маршрутизации будет записан адрес маршрутизатора, которым нужно воспользоваться, чтобы добраться до нее. Поскольку пакет должен быть доставлен компьютеру другой сети, такая маршрутизация называется косвенной (indirect). По сути, таблица маршрутизации представляет собой список сетей (и, возможно, узлов) и адресов маршрутизаторов, к которым система должна обращаться для передачи данных в эти сети.
 Существуют два метода обновления таблицы маршрутизации – статический и динамический. При статической маршрутизации строки таблицы создаются администратором сети вручную с помощью специальной программы. При динамической маршрутизации строки таблицы маршрутизации создаются автоматически специализированными протоколами, работающими на маршрутизаторах. С помощью этих протоколов маршрутизаторы обмениваются сообщениями с информацией о маршрутах с другими близкими маршрутизаторами, то есть каждый маршрутизатор передает соседним маршрутизаторам свою таблицу маршрутизации.
 Очевидно, что статическая маршрутизация эффективно работает лишь в небольших интерсетях. Преимущество динамической маршрутизации заключается в том, что она не только избавляет администратора от трудоемкого процесса «ручного» составления таблицы маршрутизации, но и автоматически учитывает все изменения структуры сети. Например, если один из маршрутизаторов выходит из строя, то его неспособность обмениваться информацией с другими маршрутизаторами приводит через некоторое время к его удалению из таблиц маршрутизации, а пакеты направляются по обходным маршрутам. После восстановления работоспособности маршрутизатор входит в контакт с другими маршрутизаторами и добавляется в их таблицы. В интерсети, подобной Интернету, структура меняется практически непрерывно, а отслеживание всех изменений в такой огромной сети «вручную» не представляется реальным.
  Более подробное изложение механизмов маршрутизации не входит в круг вопросов, рассматриваемых в настоящем учебном пособии.
 
 Резюме
 
  Протоколы сетевого уровня многоуровневой модели сетевого взаимодействия отвечают за передачу данных от отправителя к получателю по интерсети. Самый популярный протокол сетевого уровня – протокол IP, который выполняет упаковку пакета данных транспортного уровня в дейтаграмму, идентификацию систем в сети по их IP-адресам, определение наиболее эффективного пути к целевой системе, идентификацию протокола транспортного уровня.
  Протоколы транспортного уровня многоуровневой модели сетевого взаимодействия совместно с протоколами сетевого уровня обеспечивают единый сервис, необходимый приложениям для работы с сетью. Наиболее популярны протоколы транспортного уровня TCP и UDP, обеспечивающие приложениям разный уровень сервиса при передаче данных.
  Существенную часть администрирования сети составляет организация построения и присвоения IP-адресов. В стеке протоколов TCP/IP используются локальные (или аппаратные) адреса, сетевые адреса (IP-адреса), доменные имена.
  Одной из наиболее важных и сложных операций, выполняемых стеком протоколов TCP/IP, является маршрутизация. Устройство, подключенное к двум или нескольким сетям и пересылающее пакеты из одной сети в другую называют маршрутизатором. Маршрутизаторы функционируют на сетевом уровне и поэтому способны соединять сети, работающие с различными протоколами канального уровня и на различных сетевых средах. В сложных интерсетях перед маршрутизатором стоит задача выбора наиболее эффективного пути для доставки пакета данных.
 Важнейшей составляющей любого маршрутизатора является таблица маршрутизации. Для ее обновления применяются методы статической и динамической маршрутизации. Статическая маршрутизация эффективно работает лишь в небольших интерсетях. Преимущество динамической маршрутизации заключается в том, что она не только избавляет администратора от трудоемкого процесса «ручного» составления таблицы маршрутизации, но и автоматически учитывает все изменения структуры сети.
 
 Контрольные вопросы и задания
 
 Для чего предназначены протоколы, работающие на сетевом уровне эталонной модели сетевого взаимодействия?
 Какие функции выполняет протокол сетевого уровня IP?
 Охарактеризуйте протокол транспортного уровня TCP.
 В чем заключается различие протоколов транспортного уровня TCP и UDP?
 Назовите и опишите типы адресов, используемых в стеке протоколов TCP/IP.
 Опишите механизмы распределения и назначения IP-адресов.
 Какие задачи в вычислительных сетях решают маршрутизаторы?
 Каковы возможные способы практической реализации маршрутизаторов?
 Что такое таблица маршрутизации и какую информацию она содержит?
 В каком случае маршрутизацию называют косвенной?
 Опишите методы обновления таблицы маршрутизации.
  В чем заключаются преимущества динамической маршрутизации?
 
 
 
 
 12. Технологии удаленного доступа
  и глобальных сетевых связей
 
 12.1. Удаленные соединения
 
  Понятие удаленного доступа к сети включает различные типы и варианты подсоединения одиночных компьютеров либо малых домашних или офисных сетей к территориально отдаленным крупным сетям. Для удаленного доступа обычно характерна несимметричность взаимодействия, когда с одной стороны, имеется крупная центральная сеть или мощный компьютер-сервер, а с другой – отдельный удаленный компьютер или небольшая локальная сеть, которым требуется доступ к информационным ресурсам центральной сети или сервера. В настоящее время наблюдается непрерывное увеличение количества таких удаленных узлов и сетей, поэтому продолжается совершенствование средств удаленного доступа.
  Наиболее простым и пока самым распространенным способом удаленного доступа является использование для этого существующей инфраструктуры аналоговых телефонных сетей. Традиционные аналоговые телефонные сети работают на основе техники коммутации каналов, при этом каждая пара разговаривающих абонентов предварительно устанавливает через телефонную сеть соединение, образуя в ней дуплексный канал связи. Техника коммутации каналов для этого типа сетей сочетает хорошее качество передачи голоса и экономичность реализации телефонных коммутаторов. Однако техника коммутации каналов не достаточно эффективна при передачи пульсирующего компьютерного трафика, в связи с чем и была предложена альтернативная техника коммутации пакетов. Несмотря на это, сети с коммутацией каналов по-прежнему в разных вариантах очень часто используются для передачи компьютерных данных. Это связано с широкой распространенностью телефонной сети. В исторически первых сетях абонентское устройство (телефонный аппарат) преобразовывал звуковые колебания, являющиеся аналоговыми сигналами, в аналоговые же колебания электрического тока. Коммутаторы телефонной сети тоже передавали информацию в аналоговой форме, в ряде случаев перенося эти сигналы в другую область частотного спектра с помощью методов частотного уплотнения. В настоящее время в таких сетях все чаще между телефонными коммутаторами применяется передача голоса в цифровой форме путем мультиплексирования пользовательских каналов во времени. Однако при этом абонентские окончания остаются аналоговыми, так как на подключение и процедуры работы абонентов внутренние цифровые участки сети никакого влияния не оказывают.
  Аналоговые телефонные сети имеют общепринятое «англоязычное» наименование PSTN (Public Switched Telephone Network – «публичная коммутируемая телефонная сеть»). К абонентским окончаниям, которые представляют собой медные пары, подключаются телефонные аппараты абонентов. Из-за того, что обычно длина абонентского окончания не должна превышать одного – двух километров, возник известный термин «последняя миля» (около 1,6 км), которая должна быть преодолена с максимально возможной скоростью передачи данных. Передача номера вызываемого абонента производится либо «импульсным», либо «тоновым» способом. При «импульсном» способе каждая цифра передается соответствующим числом последовательных импульсов размыкания – замыкания с частотой 10 или 20 Гц. При «тоновом» наборе посылается непрерывный сигнал, состоящий из комбинации двух частот, кодирующих подаваемый номер. Скорость «тонового» набора гораздо выше «импульсного». В аналоговых телефонных сетях составной канал между абонентами имеет полосу пропускания 3100 Гц в диапазоне от 300 до 3400 Гц, что обеспечивает удовлетворительную разборчивость речи. Для передачи данных по тоновому каналу используются модулирующие-демодулирующие устройства – так называемые модемы (модуляторы-демодуляторы). Функции обычного модема при передаче – преобразование широкополосных импульсов (цифрового кода) в узкополосные аналоговые сигналы, при приеме – фильтрация принятого сигнала от помех и демодулирование, то есть обратное преобразование узкополосного аналогового сигнала в цифровой код. Отметим, что под модуляцией понимается изменение какого-либо параметра сигнала в канале связи (модулируемого сигнала) в соответствии с текущими значениями передаваемых данных (модулирующего сигнала), а под демодуляцией – обратное преобразование модулированного сигнала (возможно, искаженного помехами при прохождении в канале связи) в модулирующий сигнал.
  Для телефонной сети модемы являются терминальными устройствами, которые, как и телефоны, выполняют стандартную процедуру вызова абонента, и если у вызываемого абонента к телефонной сети также присоединен модем, то он отвечает на вызов стандартным для телефонной сети способом, в результате чего устанавливается составной канал тональной частоты. Затем модемы используют его для установления соединения уже на логическом уровне, после чего начинают обмениваться данными, представленными в виде модулированных синусоид. В связи с небольшими скоростями передачи данных модемами на канале тональной частоты (обычно не более 100 Кбит/с), такой способ удаленного доступа чаще всего используется индивидуальными пользователями в домашних условиях или условиях работы небольших офисов. Доступ по телефонной сети имеет англоязычное название «dial-up access». При ограничениях в средствах коммутируемые аналоговые линии обеспечивают также связь локальных сетей между собой. Это режим соединения выгоден экономически, если количество передаваемых данных невелико, а данные не требуют частого обновления. Скорость передачи данных в рассматриваемом случае ограничивает не только недостаточная ширина полосы канала тональной частоты, а также и то обстоятельство, что электромеханические коммутаторы телефонных станций создают значительные помехи в коммутируемых каналах. Кроме того, дополнительные помехи создает сам способ коммутации уплотненных каналов на основе частотного мультиплексирования.
  Для повышения качества каналов телефонных сетей до уровня, пригодного для высокоскоростной передачи данных, необходим переход от аналоговых телефонных сетей к цифровым, в которых на всех участках сети, начиная от абонентского окончания, данные передаются в дискретной форме. Наиболее развитыми (но не единственными) сетями такого типа являются так называемые сети с интегральными услугами ISDN (Integrated Services Digital Network – цифровые сети с интегральными услугами), в которых не только осуществлен переход к полностью цифровой форме передачи данных, но и значительно расширен набор предоставляемых абонентам сети услуг.
  ISDN относятся к сетям, в которых основным режимом коммутации является режим коммутации каналов, а данные обрабатываются в цифровой форме. Адресация в сети строится по телефонному принципу. Номер ISDN состоит из 15 десятичных цифр и включает в себя код страны, код сети и код местной подсети. Код страны такой же, как в обычной телефонной сети. По коду сети выполняется переход в заданную сеть ISDN. Внутри подсети для адресации используется 35 десятичных цифр, что позволяет детально идентифицировать любое устройство.
  Основным достоинством сетей ISDN является то, что они позволяют объединить в единое целое различные виды связи (видео-, аудиопередачу данных). Скорости передачи данных, реализуемые сетью: 64 Кбит/с и 128 Кбит/с, в более дорогих системах до 2 Мбит/с, а в мощных сетях на широкополосных каналах связи до 155 Мбит/с.
  Специализированные ISDN-терминалы обеспечивают представление данных пользователю и непосредственное подключение пользователя к интегрированной сети. Пользователь может соединяться с сетью как по цифровым, так и по аналоговым каналам, в последнем случае на входе сети выполняется аналого-цифровое, а на выходе сети цифро-аналоговое преобразование информации.
  Внутрисетевой интерфейс базируется на цифровых каналах трех типов:
  1) В – основной канал передачи пользовательских данных со скоростью передачи данных 64 Кбит/с;
  2) D – канал передачи управляющей (адресной) информации, на основании которой выполняется коммутация каналов со скоростью передачи 16 или 64 Кбит/с (может передавать и пользовательские данные с низкой скоростью);
  3) Н – канал высокоскоростной передачи пользовательских данных со скоростями передачи 384, 1536 и 1920 Кбит/с.
  На основании этих каналов сеть ISDN поддерживает два типа пользовательских интерфейсов – начальный (Basic Rate Interface, BRI) и основной (Primary Rate Interface, PRI).
  Начальный интерфейс BRI предоставляет пользователю два канала по 64 кбит/с для передачи данных (каналы типа В) и один канал с пропускной способностью 16 кбит/с для передачи управляющей информации (канал типа D). Все каналы работают в полнодуплексном режиме. Различные каналы пользовательского интерфейса разделяют один и тот же физический двухпроводной кабель по технологии ТDМ, то есть являются логическими, а не физическими каналами. Данные по интерфейсу BRI передаются кадрами, состоящими из 48 бит. Каждый кадр содержит по два байта каждого из В каналов, а также 4 бита канала D. Интерфейс BRI может поддерживать не только схему 2B + D, но и B+D, а также просто D.
  Основной интерфейс PRI предназначен для пользователей с повышенными требованиями к пропускной способности сети. Интерфейс PRI поддерживает либо схему 30B+D (2,048 Мбит/с), либо схему 23B+D (1,544 Мбит/с). В обеих схемах канал D обеспечивает скорость 64 кбит/с.
  Каналы типа В могут объединяться в один логический высокоскоростной канал с общей скоростью до 1920 Кбит/с. При установке нескольких интерфейсов PRI все они могут иметь один канал типа D, при этом количество каналов В в интерфейсе, который не имеет канала D, может увеличиваться до 24 или 31.

<< Пред.           стр. 8 (из 12)           След. >>

Список литературы по разделу